Chemia nanomateriałów
Semestr IV (1°)

Osoba odpowiedzialna za przedmiot: dr inż. Andrzej Okuniewski.

Zajęcia w formie zdalnej

W semestrze letnim 2020/21 zajęcia z przedmiotu Chemia nanomateriałów będą odbywały się w formie zdalnej. Wszystkie wykłady i seminaria odbywać się będą na platformie eNauczanie w terminach określonych planem zajęć w formie synchronicznej (webinarium). Obecność i aktywność na zajęciach w tym czasie będzie kontrolowana (lista obecności, logi platformy eNauczanie).

Konsultacje będą odbywać się zdalnie w formie synchronicznej w wyznaczonych terminach (czat/webinarium) oraz w formie asynchronicznej (e-mail).

Zaliczenie końcowe odbędzie się w formie stacjonarnej (na terenie uczelni) w terminie ostatniego wykładu. Terminy poprawkowe również będą realizowane stacjonarnie. W przypadku pogorszenia się sytuacji epidemicznej zaliczenia mogą zostać zrealizowane w formie zdalnej (test na platformie). Wszystkie zasady zaliczenia pozostają bez zmian.

Szczegółowe informacje o trybie prowadzenia zajęć znajdują się na platformie eNauczanie pod poniższym linkiem:
Link do zajęć na platformie eNauczanie

Zaliczenie przedmiotu

Aby zdobyć zaliczenie z przedmiotu należy uzyskać pozytywny wynik (min. 60%) z obydwu części przedmiotu. Ocena końcowa jest obliczana następująco:

O = 0,60×Z + 0,40×S

gdzie:
O – ocena końcowa
Z – ocena z zaliczenia
S – ocena z seminarium

W terminie poprawkowym maksymalna ocena końcowa to 3,0.

Skala ocen we wszystkich składowych przedmiotu jest następująca:

Procent punktów Ocena
92 — 100 5,0
84 — 91 4,5
76 — 83 4,0
68 — 75 3,5
60 — 67 3,0
< 60 2,0

Wykład

Program

  1. Zajęcia organizacyjne.
  2. Historia nanotechnologii: Wykład There's Plenty of Room at the Bottom. Wprowadzenie pojęcia nanotechnologia.
  3. Naturalne nanomateriały: Definicja i wymiarowość nanostruktur (0-3D). Nanomateriały naturalne, syntetyczne, mieszane. Naturalne nanomateriały organiczne (pochodzenia roślinnego i zwierzęcego). Wirusy. Biomimetyka. Materiały wysoce adhezyjne (stopy gekona). Włókna o wysokiej wytrzymałości (nici pajęcze). Materiały superhydrofobowe (liście lotosu). Sililowanie. Kąt zwilżania. Samoczyszczenie. Kryształy fotoniczne (skrzydła motyli, kameleony). Wyświetlacze IMoD. Antyseptyczne powierzchnie bez antybiotyków (skóra żarłacza galapagoskiego). Sharklet™. Wytrzymałe materiały konstrukcyjne (kości, drewno, dziób tukana). Naturalne nanomateriały nieorganiczne. Materiały porowate (zeolity). Kryształy fotoniczne (opale).
  4. Nanostruktury pierwiastków metalicznych: Metale, niemetale i półmetale a układ okresowy pierwiastków. Elektroujemność. Wiązanie metaliczne. Właściwości metali. Nanocząstki metaliczne. Zależność właściwości od rozmiaru i kształtu nanocząstek. Oddziaływanie fotonów z elektronami metali. Plazmony. Absorpcja i rozpraszanie światła na nanocząstkach metali. Materiały bichromiczne. Barwienie szkła. Nanoczątki srebra i złota. Terapia fotofermiczna. Argyria. Klastry metaliczne.
  5. Nanostruktury pierwiastków niemetalicznych: Właściwości niemetali. Zmiana właściwości metalicznych w układzie okresowym. Proste (wodór, tlen, azot, fluorowce) i złożone (fosfor, siarka, bor, węgiel) struktury niemetali. Właściwości i występowanie diamentu i grafitu. Diagram fazowy węgla. Odkrycie i pochodzenie nazwy fulerenów. Geometria i izomeria fulerenów. Nanocebulki. Reaktywność fulerenów (utlenianie, fluorowanie, cykloaddycja, polimeryzacja). Budowa, geometria i otrzymywanie nanorurek węglowych. Możliwości chemicznej modyfikacji nanorurek. Nanopączki. Nanowstążki. Grafen, tlenek grafenu, zredukowany tlenek grafenu, grafan – budowa, właściwości i otrzymywanie. Fosforen. Nanorurki fosforowe i z azotku boru.
  6. Nanolitografia: Fotolitografia. Rodzaje fotorezystów. Metody rozwirowania, rozpylania i zanurzania. Maski do fotolitografii, efekt bliskości optycznej (OPC). Elektronolitografia. Działa elektronowe. Nanoodciskanie. Litografia z użyciem sondy skanującej (SPL). Mikrofluidyka, lab-on-a-chip, human-on-a-chip. Procesory komputerowe.
  7. Nanoelektronika: Pasma energetyczne. Poziom Fermiego. Półprzewodniki samoistne i domieszkowane. Budowa przerwy energetycznej (prosta i skośna). Złącze p-n. Diody DIP, SMD, COB, OLED. Ceramika ITO. Polimery przewodzące. Wynalezienie tranzystora. Tranzystory MOSFET i układy CMOS. Prawo Moora. Tranzystory wielobramkowe.
  8. Pamięci komputerowe: Historia zapisu informacji binarnej, krosno Jaquarda. Gęstość zapisu informacji. Zapis magnetyczny, optyczny i mechaniczny. Pamięci EPROM, Flash, SSD. Pamięci FeRAM i ReRAM. Przełączniki molekularne. Zapis przy pomocy pojedynczych atomów.
  9. Badania strukturalne: Ciała krystaliczne i amorficzne. Mikroskopy z sondą skanującą (STM, AFM). Silniki piezoelektryczne. Efekt tunelowy. Promieniowanie synchrotronowe. Spektroskopia XPS, AES, XANES i EXAFS. Badania rentgenostrukturalne. Strukturalne bazy danych.
  10. Chemia koordynacyjna i supramolekularna: Typy wiązań i oddziaływań chemicznych. Wiązanie koordynacyjne. Addukty Lewisa. Teoria HSAB Pearsona. Liczba koordynacyjna. Geometrie centrów koordynacji. Wiązania wodorowe, halogenowe i chalkogenowe. Oddziaływania π. Inżynieria krystaliczna. Metal-organic frameworks.
  11. Efekty kwantowe w nanostrukturach: Jednowymiarowa nieskończona studnia potencjału (JNST), bezczasowe równanie Schrödingera, warunek brzegowy i normalizacyjny, funkcje falowe i energie stanów stacjonarnych dla JNST. Zastosowanie modelu JNST do półprzewodnikowych studni, drutów i kropek kwantowych.
  12. Nanostruktury 2D: Chemiczna funkcjonalizacja powierzchni. Samoorganizacja. Chemiczne i elektrochemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD, EVD), osadzanie warstw monoatomowych (ALD), epitaksja z wiązki molekularnej (MBE). Związki amfifilowe, surfaktanty, fosfolipidy. Warstwy Langmuira. Metoda Langmuira-Blogett i Langmuira-Schaeffera.
  13. Nanostruktury 1D i 0D: Nanowłókna, nanodruty, nanopręty, nanokolumny, nanowstążki i nanorurki. Elektroprzędzenie, metoda VLS (vapour-liquid-solid), synteza wg szablonu (template synthesis). Wąsy metaliczne (whiskers). Nanosfery, nanomuszle, nanokostki, nanopatyczki. Nanocząstki core-shell. Nanocząstki tlenkowe (metali i półmetali). Metoda solwo- i hydrotermalna. Metoda zol-żel, alkoksymetale, TEOS. Nanocząstki magnetyczne. Nanocząstki półprzewodników (II-VI i III-V). Kropki kwantowe. Nanocząstki organiczne, polimerowe. Koacerwacja. Micele i liposomy. Dendrymery. 
  14. Ćwiczenia na platformie Moodle: Obliczanie średnicy nanorurek węglowych. Obliczanie prawdopodobieństwa tunelowania elektronów przez barierę potencjału. Obliczanie długości fali emitowanej podczas przejścia elektronów pomiędzy stanami stacjonarnymi w półprzewodnikowej studni potencjału na postawie modelu JNSP. Obliczanie gęstości krystalograficznej metali. Obliczanie wielkości nanocząstek przy pomocy równania Debye'a-Scherrera na postawie dyfraktogramu proszkowego.
  15. Zaliczenie

Zaliczenie

  • W trakcie semestru odbędą się dwa kolokwia wykładowe (2 × 2 pkt.), których wynik dodawany jest do wyniku testu zaliczeniowego. Punkty te nie są uwzględniane w terminie poprawkowym.
  • Do zaliczenia zostaną dopuszczeni wyłącznie studenci, którzy zaliczą seminaria.
  • Zaliczenie będzie składało się z 15 zadań testowych (15 pkt.) oraz 5 zadań otwartych (10 pkt.). Zalicza 60%, czyli 15 pkt.
  • Na zaliczenie proszę zabrać kalkulator. Niezbędne wzory i stałe będą widoczne na ekranie przez cały czas trwania zaliczenia.
  • Osoby, które nie uzyskają zaliczenia w pierwszym terminie mogą przystąpić do poprawy w sesji podstawowej oraz poprawkowej.
  • Studenci, którzy będą posiadali więcej niż 20% nieusprawiedliwionych nieobecności będą nieklasyfikowani.

Literatura

  • C. N. R. Rao, A. Mueller, A. K. Cheetham (ed.): The Chemistry of Nanomaterials. Synthesis, Properties and Applications. Wiley-VCH, Weinheim, 2004.
  • L. V. Interrante, M. J. Hampden-Smith (ed.): Chemistry of Advanced Materials. Wiely-VCH, New York, 1998.
  • E. Roduner: Nanoscopic Materials. Size-Dependent Phenomena. RCS Publishing, Cambridge, 2006.
  • L. Cademartiri, G. A. Ozin: Nanochemia. Podstawowe koncepcje. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2011.
  • K. J. Klabunde, R. M. Richards (ed.): Nanoscale Materials in Chemistry. Wiley, Hoboken, 2009.

Seminaria

Program

W ramach zajęć studenci przygotowują indywidualne wystąpienia (wraz z prezentacją multimedialną wyświetlaną z komputera osobistego - np. PowerPoint, OpenOffice, Google Prezentacje, Prezi) na wybrane tematy. Studenci wybierają tematy spośród prac naukowych opublikowanych w ubiegłorocznym numerze czasopisma Nanotechnology – numer studenta na liście odpowiada numerowi zeszytu. Studenci z numerami 51+ odejmują od swojego numeru 50 i poszukują odpowiedniego zeszytu sprzed dwóch lat.

Harmonogram

Tydzień Zajęcia
1 Zajęcia organizacyjne, przydzielenie tematów
2 Podstawy technik prezentacji
3 — 5 Opracowanie tematów, dobór literatury, konsultacje
6 — 14 Prezentacje studenckie
15 Wystawianie ocen

Zaliczenie

Aby uzyskać zaliczenie każdy ze studentów musi przygotować i wygłosić 20-minutową prezentację na określony temat. Prezentację w formie pliku PDF należy po zajęciach wgrać na platformę eNuczanie.

Zasady oceny:

Kategoria Wymagania Liczba punktów
Estetyka wykonania czytelność, brak wiszących spójników, dobór grafiki 2 pkt.
Sposób prezentacji płynność prezentacji, nieczytanie z kartki, stosowne słownictwo (kamera prezentera musi być włączona przez cały czas trwania prezentacji) 2 pkt.
Opracowanie tematu przedstawienie: wprowadzenia, wyników z artykułu, potencjalnych zastosowań, podsumowania, literatury (podstawowej i uzupełniającej) 6 pkt.
Dyskusja pytania od słuchaczy i prowadzącego 4 pkt.
Zachowanie czasu prezentacji
Czas (min) Liczba punktów
≤10 0 pkt.
11 — 12 1 pkt.
13 — 14 2 pkt.
15 — 16 3 pkt.
17 — 18 4 pkt.
19 — 21 5 pkt.
22 — 23 4 pkt.
5 pkt.
Frekwencja
Liczba nieobecności
nieusprawiedliwionych		 Liczba punktów
0 3 pkt.
1 2 pkt.
2 1 pkt.
3 0 pkt.
≥4 nieklasyfikowanie
3 pkt.
Przesłanie prezentacji wgranie prezentacji w formie pliku PDF na platformę eNauczanie 3 pkt.

Materiały